Дипломная (вкр): Измерение характеристик сигналов стереофонического радиовещания

Рис. 22 зависимость коэффициента b от инерционности детектора (а), корректирующая RC-цепь(б) и схема компенсации переходных искажений (в)

Для увеличения надтональной части МПК в тракт вводится корректирующая RС-цепь, схема которой приведена на рис. 22б. Для этой схемы коэффициент

Переходное затухание может быть увеличено также введением перекрестных связей между каналами, когда в канал Л вводится часть сигнала из канала П, а в канал П - часть сигнала из канала Л. В полярном детекторе проникновение сигналов из канала в канал происходит в той же фазе, поэтому для компенсации сигналы нужно вводить в противофазе. На рис.22в показана одна из возможных схем компенсации переходных помех. В этой схеме при условии R>R0 часть напряжения δ, переходящая из одного канала в другой, определяется соотношением δ≈Rэ/R.

1.3.3.2 Суммарно-разностные декодеры

Принцип построения таких декодеров поясняется рис.23а. Сначала спектр ПМК разделяется фильтрами на тональную часть, несущую информацию сигналов Л + П, и надтональную часть, представляющую собой поднесущую, модулированную по амплитуде сигналом Л-П. В результате детектирования сигнала (Л-П) sin ωπt выделяется разностный сигнал Л-П. Затем с помощью суммарно-разностного преобразователя СРП выделяются сигналы каналов Л и П:

(Л + П) + (Л - П) = 2Л; (Л + П) - (Л - П) = 2П.

Рис. 23 Схема декодеров: суммарно-разностного(а) и с переключением(б)

Фильтр нижних частот ФНЧ выделения сигнала Л+П представляет собой RC-цепъ компенсации предыскажений с постоянной времени τ =50 мкс. Полосовой фильтр ПФ выделения надтональной части ПМК представляет собой колебательный контур с добротностью Q = 4,9. Резонансная кривая при этой добротности также соответствует кривой компенсации предыскажений τ = 50 мкс. Таким образом, на входе суммарно-разностного преобразователя частотные характеристики трактов передачи сигналов Л+П и Л-П совпадают.

1.3.3.3 Декодеры с переключением

Принцип действия такого декодера основан на том, что цепь полярно-модулированного колебания периодически, с частотой поднесущей, переключается с одного канала на другой. Фактически реализуется перемножение двух напряжений: полярно-модулированного сигнала и прямоугольных импульсов единичной амплитуды, следующих с частотой повторения поднесущей ©п и имеющих длительность т. В результате получаются сигналы:

x1 и х2 - спектральные функции последовательностей импульсов, сдвинутых по фазе на полпериода.

Если время включения τ мало, т. е. τ < Т, то сигналы стереоканалов полностью разделяются:

Поскольку выходное напряжение пропорционально отношению τ/T, а τ/ T<<1, выходное напряжение может получиться очень маленьким. Чтобы не допустить этого, для переключения используют широкие импульсы в пределе равные τ=Т/2. В этом случае выходные сигналы будут равны:

Переходное затухание между стереоканалами при этом составляет всего лишь 13 дБ. Для увеличения переходного затухания осуществляют компенсацию переходных помех методом подмешивания сигналов (в противофазе) из одного канала в другой.

Упрощенная структурная схема декодера с переключением показана на рис. 23б. Полярно-модулированные колебания поступают на два ключа Кл (левого и правого каналов) и на резонансный фильтр РФ. Резонансный фильтр выделяет поднесущую ωπ. Ограничитель Огр .служит для устранения остаточной амплитудной модуляции и формирования прямоугольных импульсов. Эти прямоугольные импульсы подаются на управляющие входы ключей. Фильтры нижних частот ФНЧ ослабляют надтональные составляющие сигналов. Выходные усилители УЗЧ осуществляют усиление напряжения сигналов до необходимого значения. Кроме того, в них компенсируются .переходные помехи между каналами.

Фаза выделенной поднесущей должна с достаточной точностью соответствовать фазе поднесущей в полярно-модулированном колебании. Расхождение по фазе на 11° приводит к снижению переходных затуханий до 40 дБ, расхождение на 20° - до 30 дБ, при разбалансе фаз на 90° переходные затухания между стереоканалами равны нулю, при разбалансе фаз более чем на 90° сигналы в каналах Л и П меняются местами.

Заключение теоретической части

Радиосигнал формируется путем модуляции несущего колебания комплексным стереофоническим сигналом (КСС).

Применение КСС обусловлено принципом совместимости стереосигнала с монофоническими приемниками.

Перед модуляцией несущей частоты радиопередатчика, осуществляется частичное, либо полное подавления поднесущей, в зависимости от системы РВ. Это действие необходимо для уменьшения девиации, а следовательно и уменьшения ширины спектра, передаваемого сигнала, поскольку поднесущая частота имеет большую амплитуду по отношению к разностному сигналу, но не несет в себе ни какой информации.

Передача и прием сигналов стереофонического радиовещания требует расширения трактов ПЧ и РЧ, как на приемной стороне, так и на передающей. И существуют более жесткие требования к АЧХ, ФЧХ и коэффициенту нелинейных искажений в этих трактах.

Для разделения КСС по каналам (Л и П) и получения стереофонического звучания необходим стереодекодер. В нем будет восстановлена поднесущая частота, продетектирован суммарный и разностный сигналы, и в итоге получены сигналы Л и П.

Некоторые параметры стереофоничиских систем РВ:

2. Практическая часть

Цель данного проекта состоит в том, что бы изучить временные диаграммы и спектр полного (комплексного) стереофонического сигнала в системе с пилот-тоном и по возможности в системе с ПМК. Следовательно, потребуется стереофонический радиоприемник (далее приемник) в качестве источника сигнала, анализатор спектра и осциллограф для получения изображений спектра и временных диаграмм.

.1 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Из выше поставленных целей вытекает следующий состав оборудования:

Радиоприемник FM диапазона (88-108МГц). Для выполнения данного дипломного проекта был использован магнитофон SONY CFS-W338L SM (далее магнитола), который имеет на борту приемник диапазонов УКВ и FM (66-108МГц) с функцией переключения в режим «МОНО». В приемнике магнитолы были найдены контрольные точки, в которых возможно просмотреть спектр стереофонического сигнала.

Буферный усилитель, необходим для защиты компонентов приемника от внешних воздействий, а так же для лучшего согласования с измерительными приборами.

Анализатор спектра и осциллограф, которые представляют собой приставку цифрового осциллографа PCSGU250 связанную по USB c ПК, на котором установлено необходимое ПО. Вывод информации и изображений спектра и временных диаграмм осуществляется на монитор ПК.

2.1.1 Структурная схема и принцип работы

Рис.23 Структурная схема лабораторного стенда

На рис.23 показана структурная схема лабораторного стенда с использованием выше описанного оборудования. Демодулированный сигнал с контрольных точек приемника поступает на буферный усилитель, в нем усиливается и поступает на цифровой осциллограф. Далее идет цифровая обработка сигналов в осциллографе/ПК и осуществляется вывод информации на монитор ПК в виде спектрограммы или осциллограммы .

Рис.24. Плата приемника и установленный внутрь корпуса магнитофона буферный усилитель

Фактически, буферный усилитель помещен в корпус магнитофона (Рис.24) для предотвращения его механического повреждения, а так же предотвращения потери электрического контакта в местах пайки соединительных проводов. Таким образом из магнитофона выходят коаксиальные кабели с BNC разъемами, которые напрямую подключаются ко входу осциллографа. Таким образом, сборка стенда для работы осуществляется путем подключения коаксиальных кабелей к цифровому осциллографу, а его в свою очередь к ПК с последующим запуском необходимого ПО.

Далее будут более детально рассмотрены все составляющие лабораторного стенда.

Рис.25. Готовый к работе стенд

2.1.2 Радиоприемник (Магнитола Sony)

Большая часть узлов радиоприемника, используемого в лабораторном стенде, реализована в виде интегральной схемы CXA1538 производства Sony (рис.26).

Сигналы с антенны через внешние полосовые фильтры поступают на выводы 18 и 19 микросхемы. Блоки FM Front-End и AM Front-End включают усилители радиочастоты, гетеродины и смесители. Необходимые для работы этих схем колебательные контуры и фильтры на дискретных элементах подключаются к выводам 20 - 24 (рис.3). Сигнал на промежуточной частоте (455 кГц для АМ и 10,7 МГц для ЧМ) через внешние пьезоэлектрические полосовые фильтры поступает на входы промежуточной частоты 13 и 14. В блоке FM IF/Diskri выполняется демодуляция сигналов ЧМ, а в блоке AM IF/Det - демодуляция сигналов АМ.

Далее сигнал через усилители поступает на фазовые детекторы PD1 и PD2, где осуществляется декодирование комплексного стереосигнала (КСС). Для этого необходимо восстановить по пилот-тону поднесущее колебание. Управляемый напряжением генератор VCO (Voltage Control Oscillator) вырабатывает колебания с частотой 76 кГц, то есть в 4 раза больше частоты пилот-тона и в 2 раза больше частоты поднесущей.

Рис.26. Структура интегральной схемы CXA1538

На выходе первого делителя частоты (верхний "1/2 Counter" на рис.2) получается частота поднесущей 38 кГц, которая поступает на второй делитель частоты, вырабатывающий колебания с частотой 19 кГц, и на декодирующую схему ("DECOD AMP"), на которую поступает также КСС с демодулятора ЧМ через буферные усилители. В декодирующей схеме из надтональной составляющей КСС выделяется разностный сигнал Л-П. В результате его сложения с тональной составляющей Л+П выделяется сигнал левого канала Л, а в результате вычитания - сигнал правого канала П.

Автоматическая подстройка генератора осуществляется с помощью фазовых детекторов PD1 и PD2. Колебания с частотами 38 кГц и 19 кГц поступают на левые входы фазовых детекторов. КСС подается на их правые входы. Сигналы с выходов фазовых детекторов (вывод 1 микросхемы) через внешний ФНЧ поступают на вход управления генератора (вывод 29). Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ или PLL) обеспечивает синфазность колебаний на выходе генератора VCO с пилот-тоном в КСС.

В лабораторном стенде для исследования выводятся сигналы с выхода фазового детектора, работающего на частоте 19 кГц (вывод 3 микросхемы), и сигнал правого канала после схемы декодирования (вывод 5 микросхемы). Сигналы выводятся через дополнительные буферные усилители, не показанные на схемах.

Рис.27. Плата тюнера радиоприемника

2.1.3 Буферный усилитель

Буферный усилитель построен на операционном усилителе (далее ОУ) NE5532 выполненном в виде микросхемы, корпус DIP-8 и имеет два канала (Рис.28).

Данный ОУ имеет хорошие параметры: малый собственный шум, широкий диапазон питающих напряжений, высокую частоту единичного усиления , высокое входное сопротивление.

В данном проекте используется схема типового включение ОУ в качестве не инвертирующего усилителя с однополярным источником питания

Рис.28 NE5532 Вид сверху

Рассмотрим схему (Рис.29) одного канала более детально. Сигнал поступает через блокировочный конденсатор С3 на не инвертирующий вход усилителя X1, через резистор R5 поступает постоянная составляющая равная половине питания, что необходимо поскольку источник питания однополярный. Цепь R4R3 - ООС, которая обеспечивает стабильную работу усилителя, а так же отношением этих резисторов можно задать коэффициент усиления. Конденсатор C4 предотвращает КЗ по постоянному току в ООС. Конденсатор C5 - так же блокировочный. Делитель R1R2 задает напряжение равное половине питания, конденсаторы C2,C1 являются фильтрами по питанию. Питание схемы осуществляется от бортового источника питания магнитолы.

Рис.29 Схема одного канала буферного усилителя

2.1.4 Цифровой осциллограф PCSGU250, ПК и ПО PC-LAB2000LT

PCSGU250 - это полная USB лаборатория в одном приборе. Прибор заменит в измерительном инструментарии инженера двухканальный осциллограф, спектроанализатор, самописец, функциональный генератор и плоттер Бодэ. С помощью генератора пользователь может создавать сигналы индивидуальной формы с помощью специального редактора сигналов. А для автоматизации измерений можно генерировать последовательности осциллограмм с помощью файла или порта компьютера.

Общие характеристики

маркеры для амплитуды/напряжения и частоты/времени;

развязка по входу: DC, AC и земля;

разрешение 8 бит;

сохранение скриншота дисплея и данных измерений;

габаритные размеры: 205x55x175 мм;

* Не рекомендуется использовать для питания прибора USB хаб. Это может привести к сбою в работе программного обеспечения.

Спектроанализатор

диапазон частот 0... 120 Гц до 12 МГц;

линеарная и логарифмическая шкала;

принцип работы: анализатор Фурье;

разрешение спектроанализатора: 2048 линий;

входные каналы 1 или 2;

функция масштабирования.

Самописец

временная шкала: 20 мс/дел...2000 с/дел;

макс, длина записи: 9,4 часа/экран;

автоматическая запись в течение года;

автоматическое сохранение данных;

максимальное число выборок: 100/с;

минимальное число выборок: 1/20 с.

Функциональный генератор

частотный диапазон: синус 0.005 Гц ... 1000 кГц;

частотный диапазон: меандр и пила 0.005 Гц ...500 кГц;

расширенная библиотека сигналов;

- амплитудный диапазон: 100 мВ ампл. до 10 В ампл. (1 кГц, 600 Ом), выходной импеданс 50 Ом.

Осциллограф

полоса пропускания: два канала от DC до 12 МГц, ±3 дБ;

входной импеданс: 1 МОм/30 пФ;

максимальное входное напряжение: 30 В (AC+DC);

временная развертка: 0,1 мкс...500 мс/дел;

развертка по вертикали: 10 мВ.,.3 В/дел;

показания: True RMS, dBV, dBm, пиковые измерения, рабочий цикл, частота и др.;

длина записи: 4К/канал;

скорость выборки: 250 Гц...25 МГц;

сохранение истории.

Плоттер Бодэ

автоматическая синхронизация осциллографа и генератора;